机电一体化系统:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 12 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

直流电机

电枢回路
V = E + IaRa
反电动势与转矩
E = k·ω, T = k·Ia
速率
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
空载转速与堵转转矩
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
各功率
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
起动
Istart = V/(Ra + Rst)
转速调整率
SR = (n0 − nFL)/nFL
最大电磁功率
Pmax = V²/(4Ra)
斩波驱动
Va = D·Vdc

方法

  1. 画出电枢回路:电源 V、电阻 Ra 和反电动势 E 串联。
  2. 用 V = E + Ia·Ra 把电压、电流和反电动势联系起来。
  3. 转速用 E = k·ω,转矩用 T = k·Ia,其中 ω = 2π·n/60。
  4. 对于功率和效率,从 V·Ia 出发,减去铜损 Ia²·Ra,再减去旋转损耗。

齿轮与齿轮系

啮合齿轮
n1·N1 = n2·N2
扭矩
T2 = T1·(N2/N1)·η
功率
P = T·ω, ω = 2π·n/60
复合轮系
总传动比 = 各级传动比之积

数据采集与采样

奈奎斯特准则
fs > 2·fmax, fN = fs/2
混叠频率
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
步长
1 LSB = VFSR/2ᴺ
量化误差(四舍五入)
±½ LSB
截断式 ADC 码值
D = ⌊Vin/LSB⌋
分辨率 r 所需的位数
2ᴺ ≥ span/r
理想 SQNR,满量程正弦波
SQNR = 6.02·N + 1.76 dB
数据速率
通道数 × fs × N 比特/秒
多路复用 ADC
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/波特率;8N1 = 每字节 10 位;字节/秒 = 波特率/每帧位数
波特率分频器
baud = fclk/(16·D)

方法

  1. 先写出已知量:采样率、信号频率、位数、输入量程、波特率。
  2. 采样类题目,把每个频率与 fs/2 比较;更高的频率会出现在 fa = |f − k·fs|,其中取最接近的 fs 整数倍。
  3. 分辨率类题目,求 1 LSB = VFSR/2ᴺ,或求满足 2ᴺ ≥ 量程/分辨率 的最小 N。
  4. 数据速率和 UART 链路类题目,要数清所有发送的内容:通道数、每秒采样数、每个采样的位数或整字节数,以及每帧的起始位、校验位和停止位。

惠斯通电桥与应变片

分压器电压
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
出量
Vab = Va − Vb
平衡
R1/R2 = R3/R4
滑线电桥
R/Rx = l/(100 − l)
戴维南电阻
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
灵敏系数
ΔR/R = GF·ε
电桥输出
1/4 桥 Vs·GF·ε/4,半桥 Vs·GF·ε/2,全桥 Vs·GF·ε
小变化,一个臂
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
应力
σ = E·ε

方法

  1. 把电桥看作接在同一电源上的两个分压器。
  2. 要使电桥平衡,令 R₁/R₂ = R₃/R₄,并解出未知电阻。
  3. 对不平衡电桥,由分压器求出 Va 和 Vb 再相减;当仪表对输出端有负载时,用戴维南等效电路。
  4. 对应变片,把应变换算成 ΔR/R = GF·ε,再用 Vs·GF·ε/4、/2 或 ×1 分别对应 1/4 桥、半桥或全桥。

稳态误差与 PID 控制

系统型别
G(s) 在 s = 0 处的极点个数
误差常数
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
阶跃 A
ess = A/(1 + Kp)
斜坡 A·t
ess = A/Kv
抛物线 A·t²/2
ess = A/Ka
PID 控制器
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
二阶目标
s² + 2ζωns + ωn²
超调量与时间指标
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

方法

  1. 数一数开环 C(s)·G(s) 在 s = 0 处的极点个数:这就是系统型别。
  2. 求出与输入相匹配的误差常数:阶跃用 Kp,斜坡用 Kv,抛物线用 Ka。
  3. 应用 ess = A/(1 + Kp)、A/Kv 或 A/Ka,或者反过来解出所需的增益。
  4. 对于阻尼或转速的指标,写出闭环特征多项式,并与 s² + 2ζω_n·s + ω_n² 匹配。

2练习题

1.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

某直流电机的 k = 0.12 V·s/rad,由 48 V 供电。忽略空载时的所有损耗,求它的空载转速 n0,单位为 rpm。

V = 48 Vk = 0.12 V·s/rad
n0 = rpm
2.直流电机困难
+−220 VD = ?Ra​ = 0.8 ΩM+−En = 400 rpmT = 0.5 N·m

某直流斩波器从 220 V 直流母线给电机(k = 0.25 V·s/rad,Ra = 0.8 Ω)供电。平均电枢电压为 D·220 V。求使电机在 0.5 N·m 负载下以 400 rpm 运转的占空比 D。

Vdc = 220 Vk = 0.25 V·s/radRa = 0.8 ΩT = 0.5 N·mn = 400 rpm
D = %
3.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 120 mmd2​ = 300 mm1500 rpmn2​ = ?

一个 120 mm 的带轮以 1500 rpm 通过皮带驱动一个 300 mm 的带轮,打滑率为 3 %。求从动轮的转速 n2。

n1 = 1500 rpmd1 = 120 mmd2 = 300 mms = 3 %
n2 = rpm
4.齿轮与齿轮系困难
A = 45B = 60C = 12D = 16

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(45 齿)以 960 rpm 转动,驱动齿轮 B(60 齿)。齿轮 C(12 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(16 齿)。求输出转速 nout。

nin = 960 rpmA = 45B = 60C = 12D = 16
nout = rpm
5.数据采集与采样中等
124⋮4 ch∿01N = 101 kHz? MB

一台记录仪用 10 位 ADC 对 4 个通道各以 1 kHz 采样。每个采样点以整数个字节存储。求 5 min 记录所需的内存 M,单位 MB(1 MB = 10⁶ 字节)。

n = 4fs = 1 kHzN = 10t = 5 min
M = MB
6.数据采集与采样困难
124⋮4 ch∿01tc​ = 5 µstset​ = 2 µsfs​ = ?

一个 4 通道的多路复用器为一个 ADC 供给信号。每次转换需要 5 µs,每次切换通道后输入还需要 2 µs 建立。各通道不间断地依次扫描。求每个通道的采样率 fs,单位 kHz。

n = 4tc = 5 µstset = 2 µs
fs = kHz
7.惠斯通电桥与应变片中等
+−5 V120 Ω120 Ω + ΔR120 Ω120 Ωab+−Vab​ = ?

某电桥的四个臂均为 120 Ω,Vs = 5 V。传感器 R₂ 增大了 ΔR = 1.2 Ω。用小变化近似求输出 Vab,单位为 mV。

Vs = 5 VR = 120 ΩΔR = 1.2 Ω
Vab = mV
8.惠斯通电桥与应变片困难
+−3 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−1.2 mV

某 1/4 桥有一个工作应变片(GF = 2),激励电压为 3 V。受载时输出读数为 1.2 mV。求应变 ε,单位为 µε。

Vs = 3 VGF = 2Vo = 1.2 mV
ε = µε
9.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 3t+4s(s + 1)(s + 4)C(s)−

斜坡 r(t) = 3t 加到 G(s) = 4/(s(s + 1)(s + 4)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 4/(s(s + 1)(s + 4))r(t) = 3t
ess =
10.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+Kp​ + Ki​/s10s + 1C(s)−

PI 控制器 C(s) = Kp + Ki/s 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 10/(s + 1)。闭环必须满足 ωₙ = 2 rad/s 和 ζ = 0.8。求比例增益 Kp。

G(s) = 10/(s + 1)ωₙ = 2 rad/sζ = 0.8
Kp =
11.阶跃响应中等
t (s)y(t)2ts​ = ?

某系统的传递函数为 G(s) = 92/(s² + 9s + 46),输入为单位阶跃。 用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 92/(s² + 9s + 46)
ts = s
12.阶跃响应困难
t (s)y(t)110 %

一个没有零点的二阶系统,其阶跃响应必须有 10 % 的超调量。求阻尼比 ζ。

%OS = 10 %
ζ =

3溶液

1.直流电机

答案: n0 = 3820 rpm

直流电机:电枢是电阻 Ra 与反电动势 E 串联,所以 V = E + Ia·Ra。反电动势随转速增大,E = k·ω;转矩随电流增大,T = k·Ia;在 SI 单位制中两者的电机常数 k 相同(V·s/rad = N·m/A)。转速用 ω = 2π·n/60 换算。电磁功率为 E·Ia = T·ω;输入功率为 V·Ia,差值由铜损 Ia²Ra 和旋转损耗构成。转速随转矩呈直线下降,ω = V/k − Ra·T/k²,从空载转速 V/k 降到堵转转矩 k·V/Ra 处的零。静止时 E = 0,所以起动电流 V/Ra 很大,除非用电阻限流。

空载转速

ω₀ = V/k = 48/0.12 = 400 rad/s
n0 = 60·400/(2π) = 3820 rpm

答案

n0 = 3820 rpm
2.直流电机

答案: D = 5.487 %

直流电机:电枢是电阻 Ra 与反电动势 E 串联,所以 V = E + Ia·Ra。反电动势随转速增大,E = k·ω;转矩随电流增大,T = k·Ia;在 SI 单位制中两者的电机常数 k 相同(V·s/rad = N·m/A)。转速用 ω = 2π·n/60 换算。电磁功率为 E·Ia = T·ω;输入功率为 V·Ia,差值由铜损 Ia²Ra 和旋转损耗构成。转速随转矩呈直线下降,ω = V/k − Ra·T/k²,从空载转速 V/k 降到堵转转矩 k·V/Ra 处的零。静止时 E = 0,所以起动电流 V/Ra 很大,除非用电阻限流。

所需电枢电压

Va = 0.25·41.89 + 2·0.8 = 12.07 V

占空比

D = 12.07/220 = 5.487 %

答案

D = 5.487 %
3.齿轮与齿轮系

答案: n2 = 582 rpm

皮带传动:无打滑时,两个带轮的轮缘线速度相同,v = π·d·n/60,所以 n₁·d₁ = n₂·d₂,速比为 d₂/d₁。打滑率 s 使从动轮稍慢:n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)。传递的功率为 P = (T₁ − T₂)·v,其中 T₁ 为紧边张力,T₂ 为松边张力。摩擦限制了张力之比:T₁/T₂ = eμθ,其中 θ 是小带轮上的包角(弧度);对开口皮带,θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)),C 为中心距。

无打滑时的转速

1500·120/300 = 600 rpm

有打滑

n2 = 600·0.97 = 582 rpm

答案

n2 = 582 rpm
4.齿轮与齿轮系

答案: nout = 540 rpm

齿轮系:相互啮合的齿轮在轮齿处的线速度相同,所以 n₁·N₁ = n₂·N₂:齿数较少的齿轮转得更快。装在同一根轴上的齿轮转速相同。功率被传递下去(扣除损失),所以转速降低时扭矩增大:T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η,且 P = T·ω,其中 ω = 2π·n/60。

第一级

nB = 960·45/60 = 720 rpm = nC

第二级

nout = 720·12/16 = 540 rpm

答案

nout = 540 rpm

总传动比 = 1.778 : 1

5.数据采集与采样

答案: M = 2.4 MB

数据速率:每个通道每秒提供 fs 个 N 位的采样,因此原始速率为 通道数 × fs × N bit/s。在内存中一个采样占用整数个字节(12 位采样存为 2 个字节),因此一段记录的内存为 通道数 × fs × 每个采样的字节数 × 时间。多路复用 ADC 依次转换各通道:每次转换(含建立时间)需要 t,所以 n 个通道转一轮需要 n·t,每个通道的采样频率为 1/(n·t)。

每个采样的字节数

⌈10/8⌉ = 2 B

字节速率

4·1000·2 = 8000 B/s

内存

M = 8000·300 = 2.4 × 10⁶ B = 2.4 MB

答案

M = 2.4 MB
6.数据采集与采样

答案: fs = 35.71 kHz

数据速率:每个通道每秒提供 fs 个 N 位的采样,因此原始速率为 通道数 × fs × N bit/s。在内存中一个采样占用整数个字节(12 位采样存为 2 个字节),因此一段记录的内存为 通道数 × fs × 每个采样的字节数 × 时间。多路复用 ADC 依次转换各通道:每次转换(含建立时间)需要 t,所以 n 个通道转一轮需要 n·t,每个通道的采样频率为 1/(n·t)。

每个通道的时间

5 + 2 = 7 µs

每次扫描的时间

4·7 = 28 µs

每个通道的采样率

fs = 1/28 µs = 35.71 kHz

答案

fs = 35.71 kHz
7.惠斯通电桥与应变片

答案: Vab = 12.5 mV

惠斯通电桥:两个分压器共用一个电源 Vs。左侧分压器 R1–R2 给出 Va = Vs·R2/(R1 + R2),右侧分压器 R3–R4 给出 Vb = Vs·R4/(R3 + R4);输出为 Vab = Va − Vb。当 R1/R2 = R3/R4,即 R1·R4 = R2·R3 时,电桥平衡(Vab = 0,检流计中没有电流)。从输出端看,电桥是一个戴维南电源,其 Rth = R1∥R2 + R3∥R4。

相对变化

ΔR/R = 1.2/120 = 0.01

线性化输出

Vab ≈ 5·0.01/4 = 12.5 mV

答案

Vab = 12.5 mV

精确值为 12.44 mV;只要 ΔR/R 很小,这个近似就很好。

8.惠斯通电桥与应变片

答案: ε = 800 µε

应变片:应变片的电阻随应变变化:ΔR/R = GF·ε,其中金属箔的灵敏系数 GF 约为 2。在各臂都等于 R 的电桥中,一个工作应变片(1/4 桥)给出 Vo ≈ Vs·GF·ε/4。相邻臂上两个应变相反的工作应变片(半桥)给出 Vs·GF·ε/2,四个(全桥)给出 Vs·GF·ε。应力由胡克定律得出,σ = E·ε。称重传感器的灵敏度以 mV/V 表示:每伏激励电压在满载时的输出。

解 1/4 桥方程

ε = 4·0.0012/(3·2) = 0.0008

以微应变表示

ε = 800 µε

答案

ε = 800 µε
9.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 3

稳态误差:在单位负反馈回路中,设开环传递函数为 G(s),则误差为 E(s) = R(s)/(1 + G(s)),由终值定理得 ess = lims→0 s·E(s)。系统型别是 G(s) 在 s = 0 处的极点个数。误差常数为 Kp = lim G(s)、Kv = lim s·G(s) 和 Ka = lim s²·G(s),均取 s → 0。大小为 A 的阶跃输入给出 ess = A/(1 + Kp),斜坡 A·t 给出 A/Kv,抛物线 A·t²/2 给出 A/Ka。0 型回路跟踪阶跃有有限误差,1 型回路能无误差跟踪阶跃,跟踪斜坡则有有限误差。

速度误差常数

Kv = lim s·G(s) = 1

斜坡误差

ess = 3/1 = 3

答案

ess = 3
10.稳态误差与 PID 控制

答案: Kp = 0.22

P、PI 和 PID 控制:控制器 C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s 作用于误差。比例增益使回路更快,并减小 0 型对象的误差,但无法将其消除。积分项增加一个 s = 0 处的极点:系统型别升高一级,阶跃输入可以被无误差地跟踪。微分项增加阻尼。选取增益时,写出闭环特征多项式,并与 s² + 2ζωns + ωn² 比较。然后 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),tp = π/ωd,其中 ωd = ωn√(1 − ζ²),ts ≈ 4/(ζωn)。

特征多项式

1 + C(s)G(s) = 0,两边乘以 s(s + 1)。

s² + (1 + 10Kp)s + 10Ki

目标多项式

s² + 2·0.8·2s + 2² = s² + 3.2s + 4

匹配各项系数

1 + 10Kp = 3.2 → Kp = 0.22

答案

Kp = 0.22

积分项使回路成为 1 型,所以阶跃输入可以被无稳态误差地跟踪。

11.阶跃响应

答案: ts = 0.8889 s

阶跃响应:一阶系统 G(s) = K/(τs + 1) 对大小为 U 的阶跃的响应是 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ):经过一个时间常数 τ 达到终值 K·U 的 63.2 %,经过 4τ 达到 98 %。二阶系统 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) 的极点为 s = −ζωₙ ± jωd,其中 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)。当 0 < ζ < 1 时,阶跃响应有超调:百分比超调量 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),峰值时间 tp = π/ωd,2 % 调节时间 ts ≈ 4/(ζωₙ)。把分母与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 比较,即可读出 ωₙ 和 ζ。对于质量–弹簧–阻尼器,ωₙ = √(k/m),ζ = c/(2√(km));对于串联 RLC 电路,ωₙ = 1/√(LC),ζ = (R/2)·√(C/L)。

与标准形式比较

分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。

ωₙ² = 46 → ωₙ = 6.782 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·6.782) = 0.6635

结果

ζωₙ = 4.5 → ts ≈ 4/4.5 = 0.8889 s

答案

ts = 0.8889 s
12.阶跃响应

答案: ζ = 0.5912

阶跃响应:一阶系统 G(s) = K/(τs + 1) 对大小为 U 的阶跃的响应是 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ):经过一个时间常数 τ 达到终值 K·U 的 63.2 %,经过 4τ 达到 98 %。二阶系统 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) 的极点为 s = −ζωₙ ± jωd,其中 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)。当 0 < ζ < 1 时,阶跃响应有超调:百分比超调量 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),峰值时间 tp = π/ωd,2 % 调节时间 ts ≈ 4/(ζωₙ)。把分母与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 比较,即可读出 ωₙ 和 ζ。对于质量–弹簧–阻尼器,ωₙ = √(k/m),ζ = c/(2√(km));对于串联 RLC 电路,ωₙ = 1/√(LC),ζ = (R/2)·√(C/L)。

阻尼比

ζ = −ln(0.1)/√(π² + ln²(0.1)) = 2.303/√(9.87 + 5.302) = 0.5912

答案

ζ = 0.5912

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